第三章数控磨床用磨料和磨具对工件表面进行切削加工并用数控系统Word格式.docx
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头架主轴转速(无级变速) 40~500r/min
数控定位精度 横向(X)0.01mm
纵向(Z)0.03mm
数控重复定位精度 横向(X)0.002mm
纵向(Z)0.02mm
磨削定尖间试件的精度 圆度0.003mm
圆柱度0.005mm
粗糙度Ra≤0.32μm
二、机床采用的数控系统
本机床采用BS04G数控系统,是北京机床研究所在FANUC—3系统机床上二次开发而成的。
该系统充分考虑了磨削加工工艺和磨床的特点,功能齐全,操作灵活。
该系统具备以下功能:
1)可三轴联动,本机床为X、Y轴联动
2)脉冲当量为0.1μm与1μm
3)切削速度范围对应于1μm,0.1~15000mm/min
对应于0.1μm,0.01~2400mm/min
4)直线插补和圆弧插补功能
5)暂停功能
6)消除空程功能
7)两个坐标系选择:
工件坐标系、砂轮坐标系
8)可带主动测量仪、对刀仪
9)自动和手动返回参考点
10)自动设定坐标系
11)跳动功能
12)磨削固定循环(6个)
13)单切人磨削循环,多切入磨削循环
14)外端面加入磨削循环,斜砂轮磨削循环
15)圆柱面纵磨循环,圆锥面磨削循环
16)砂轮修整固定循环(4个)
17)砂轮圆周面修整,砂轮左端面修整
18)砂轮右端面修整,斜砂轮修整
19)恒线速控制
20)斜角度控制
21)砂轮数据管理
22)砂轮修整自动补偿
23)镜象(对称)
24)砂轮过载保护和卡盘禁区保护
25)快速退回
26)具有RS-232C接口或2OMA电源回路接口S4位数模拟输出
27)公/英制转换
28)程序存贮器最大容量48kB(120m纸带)
29)录返功能
30)用户宏程序
三、机床本体的总体结构及存在的运动
MK1320型数控外圆磨床由床身、工件头架、工作台、砂轮架、尾架、砂轮架横向进给机构、工作台纵向进给机构等构成。
在床身前部的纵向导轨上装有工作台,台面两端装有安装工件用的头架和尾架。
被加工的工件支承在头、尾架的顶尖上,或用头架上的液压卡盘夹持工件。
尾架可在工作台上左右移动,以适应装夹不同长度工件的需要。
头架可绕工作台上的定位销旋转一定的角度,以便能磨削锥面。
砂轮架安装在床身顶面后部的横向导轨上,砂轮架主轴带动砂轮回转实现磨削加工的主运动,同时横向进给机构带动砂轮架实现横向进给运动以及调整位移。
MK1320型数控外圆磨床存在以下运动:
砂轮旋转主运动;
砂轮架的横向进给运动;
工件旋转的圆周进给运动;
工作台带动工件的纵向进给运动;
MK1320型数控外圆磨床存在以下调整运动:
砂轮架的横向调整运动,调整砂轮和工件距离以及快速退刀;
砂轮架旋转一定的角度以便加工带锥度的工件。
四、机床的主要部件结构
1.砂轮架
砂轮架由壳体、砂轮主轴及其轴承、传动装置和滑鞍组成。
砂轮主轴及其支承部分的结构将直接影响工件的加工精度和表面粗糙度,是砂轮架部件的关键部分。
它应保证砂轮轴具有较高的旋转精度、刚度、抗振性及耐磨性。
如图3-1所示的砂轮架中,砂轮主轴两端以锥体定位,前端通过压盘安装砂轮,后端通过锥体安装带轮。
主轴的前后支承均采用“三瓦”动压滑动轴承,每个轴承由均布在圆周上的三块三扇扇形轴瓦组成。
每块轴瓦都支承在球头螺钉的球形端头上,由于球头中心在周向偏离轴瓦对称中心,当主轴高速旋转时,在轴瓦与主轴颈之间形成三个楔形缝隙,于是在三块轴瓦处形成三个压力油楔,砂轮主轴在三个压力油楔压力的作用下,悬浮在轴承中心而呈纯液体摩擦状态。
调整球头螺钉的位置,即可调整主轴轴颈与轴瓦之间的间隙,通常间隙应保持在0.01~0.02㎜之间。
调整好以后,用螺套和锁紧螺钉锁紧,以防止球头螺钉松动而改变轴承间隙,最后用封口螺钉密封。
主轴轴瓦采用大包角结构,轴承包角为72°
。
根据动压轴承承载能力计算,一个轴瓦承载能力P0与其包角平方成正比,即满足下面的关系式:
式中B是包角,如果以一块60°
包角的轴瓦承载能力为1,则一块72°
包角轴瓦的承载能力为60°
包角的轴瓦的(72/60)2=1.44倍。
砂轮架工作时的圆周速度很高,为了保证砂轮运转平稳,采用带传动直接传动砂轮主轴并通过电机直接调速。
装在主轴上的零件都经过仔细校正静平衡,整个主轴部件还要校动平衡。
2.砂轮架进给系统
砂轮架进给运动是通过直流伺服电动机经弹性联轴器直接带动滚珠丝杠转动,使滑座前后移动。
滚珠丝杠经过预拉伸,预拉伸量相当滚珠丝杠热变形量。
滚珠丝杠的螺距误差可由系统作补偿。
砂轮架移动必须保证一定的导向精度,所采用的导轨形式有以下几种:
开式滚动导轨结构简单,动作灵敏,但抗振性差。
预加载荷的闭式导轨,如交叉滚珠导轨,如瑞士STUDER外圆磨床,我国MGBA1420
高精度万能外圆磨床,均采用这种导轨,这种导轨灵敏度高,但制造工艺复杂,成本高。
3)直线滚珠导轨,性能好,但高精度直线滚动导轨价格昂贵。
4)贴塑导轨是一种近年来普遍采用的导轨。
塑料与铸铁泊润滑时摩擦系数为0.04,干摩擦系数为0.06,这仅为铸铁导轨副的1/3,动静摩擦数相近。
导轨面间注入0.1MPa压力油润滑,使砂轮架能在极低的速度下不爬行,实测定位精度0.004mm,重复定位精度0.002mm。
由于油膜层的吸振作用,滑动导轨比滚动导轨易于达到高的表面质量,而其成本远低于预加载荷的交叉滚柱导轨或直线导轨副。
3.头架
头架结构如图3-2所示。
头架由壳体、头架主轴及其轴承、传动装置、底座等构成。
MK1320数控外圆磨床头架主轴变速采用双速电动机,变频调速,再经塔轮变速,调速范围极为广泛,可达40~500r/min。
主轴上带的张紧力分别靠转动偏心套和移动电机座实现,调整方便。
同时,主轴上的带轮采用卸荷结构,以减小主轴的弯曲变形。
头架主轴前轴承为大锥度滑动轴承,后轴承为一对消除间隙的向心推力球轴承。
这二种轴承组合,既有滚动轴承的灵敏及低速时一定的承载能力,又有滑动轴承在高速时高的回转精度及好的平稳性。
一滚一滑轴承组合在用卡盘磨削工件时,工件圆度可达到0.5μm以下。
第三节 数控坐标磨床
数控坐标磨床具有精密坐标定位装置,是一种精密加工设备,主要用于磨削孔距精度很高的圆柱孔、圆锥孔、圆弧内表面和各种成形表面,适合于加工淬硬工件和各种模具(凸模、凹模),是模具制造业、工具制造业和精密机械行业的高精度关键设备。
坐标磨床有立式、卧式;
单柱结构、双柱结构;
控制方式有手动、数显、程控和数控。
立式坐标磨床应用最广泛。
一、数控坐标磨床的主要构成
如图3-3所示,是一台数控立式坐标磨床,主要由以下部件构成:
(1)高速磨头通过磨头的高速旋转运动实现对工件的磨削加工。
(2)主轴系统主轴系统是高速磨头的支承部件,同时主轴系统还带动磨头作上下进给运动及绕自身轴心线的公转运动,实现磨头的圆周进给运动。
(3)工作台为双层结构,可实现纵向和横向进给运动。
(4)基础部件包括床身、立柱、滑座、主轴箱等主要部件。
一般采用稳定性好的高级铸铁制造,并采用高刚度结构设计。
如立柱采用双层、热对称结构,以增加强度、刚性同时减少热变形。
二、数控坐标磨床存在的主要运动
(1)主运动为砂轮磨头的高速旋转运动,通过微量切削,达到零件所要求的尺寸精度和表面粗糙度要求。
(2)主轴箱的垂直进给运动主轴箱带动磨头作垂直进给运动。
如当凹模型腔底部为曲面时,精磨时需要主轴箱的垂直进给运动。
(3)磨头的周向及径向进给运动由于待加工件大多为形状不规则曲线及曲面,因此磨头需作周向及径向进给运动。
周向运动的实现主要是通过主轴绕自身的轴线带动磨头公转实现;
而径向进给只需调整行星运动的公转半径即可。
(4)工作台的纵横向进给运动
此外,主轴箱、工作台还可作位置调整运动,用以确定工件和磨头之间的相对位置。
当磨头上安装插磨附件时,砂轮不作行星运动而只作上下往复运动,可进行类似于插削形式的磨削,例如磨削花键、齿条、侧槽、内齿圈、分度板等。
三、主要技术参数
坐标磨床的主参数为工作台宽度,主要规格有:
200,250,280,320,450,800㎜。
定位精度、磨孔圆度和磨孔表面粗糙度综合反映坐标磨床的精度。
定位精度可达±
0002~±
0005mm,磨孔圆度可达0.002~0.006㎜,磨孔表面粗糙度Ra0.2~0.4μm。
四、典型结构
1.高速磨头
磨头的最高转速是反映坐标磨床磨削小孔能力的标志之一。
分为气动磨头和电动磨头。
气动磨头(也称空气动力磨头或空气透平磨头)最高转速达250000r/min,通常为120000~180000r/min,主要用于提高磨小孔能力的坐标磨床。
电动磨头采用变频电动机直接驱动,输出功率较大,短时过载能力强,速度特性硬,振动较小,但最高转速较低,主要用于提高磨大孔能力的坐标磨床。
图3-4为气动磨头的结构图,主要由叶轮、转轴、转轴轴承、砂轮等构成。
砂轮的回转运动是通过压缩空气推动叶轮并带动砂轮回转轴实现的。
气动磨头结构简单紧凑,不需要复杂的变频电气控制系统,由于空气的自冷作用,磨头的温升较低,并且从磨头中排出的气体有冷却工件的作用,有利于加工。
2.主轴系统
主轴系统由主轴、导向套和主轴套组成的主轴部件,主轴往复直线运动机构和主轴回转机构和主轴回转传功机构组成。
主轴在导向套内作往复直线运动(由液压或气动驱动),通常采用密珠直线循环导向套。
主轴连同导向套和主轴套一起慢速旋转,使磨头除高速自转外同时作行星运动,以实现圆周进给,通常由直流电动机或步进电动机经齿轮或蜗轮传动实现。
主轴部件可由气缸平衡其自重。
3.工作台
工作台实现纵、横坐标定位移动,其传动由伺服电动机带动滚珠丝杠,导轨常采用滚动导轨,但某些高精度坐标磨床仍有采用两个V形滑动导轨的,其特点是导向精度很高。
五、可控制的轴及联动轴数
图3-3所示数控坐标磨床的数控系统可控制3~6轴,联动轴数有2轴、
轴、3轴等。
十字工作台运动为X轴、Y轴,如装设数控回转工作台则有A轴或B轴。
我们将主轴的往复直线运动定义为Z轴,Z轴可以是CNC控制轴,也有的只装数显装置。
主轴回转由C轴控制。
主轴箱装在W轴拖板上。
磨头装在主轴端的U轴拖板上,由U轴控制移动产生偏心,即实现径向进给。
主轴回转加上U轴移动使磨头作偏心距可变的行星运动。
当CNC系统有C轴同步功能时,在X、Y轴联动作平面曲线插补时,C轴可自动跟踪转动,使U轴与平面轮廓法线平行(如图3-5)。
U轴可控制砂轮轴线与轮廓在法线方向上的距离,以实现进刀。
C轴功能有对称控制的特点,当X、Y轴联动按程编轨迹运动时,只要砂轮磨削边与主轴轴线重合,就可用同一数控程序来磨削凹、凸两模,磨出的轮廓就是编程轨迹,而不必考虑砂轮半径补偿,也容易保证凹、凸两模的配合精度和间隙均匀(如图3-6)。
当只用X、Y轴联动作轮廓加工时,必须锁定C轴和U轴,这时平面插补则须加砂轮半径补偿,通过改变补偿量可实现进刀。
六、分辨率和定位精度
数控坐标磨床采用高精度定位检测技术,分辨率(最小输入单位)比一般数控机床高。
X、Y轴分辨率为1μm或0.5μm,Z、W轴为1μm,U轴为0.1μm,C轴、A(或B)轴为0.001°
或0.0001°
数控坐标磨床定位精度也较高,垂直轴可达±
2~5μm。
X、Y轴可达任意30mm内0.8μm,全行程2μm;
转角可达士0.002°
轮廓加工精度可达3~5μm,磨孔圆度2μm。
七、机床热变形控制与补偿
数控坐标磨床的热变形控制与补偿至关重要,尤其是要控制与补偿主轴轴线的热位移。
除了采取热对称结构和热平衡措施外,还要采用热变形控制与补偿装置,减少主轴轴线位置变动量,一般应控制在2μm内。
第四节 MK6030数控工具磨床
一、加工工艺范围
MK6030型数控工具磨床具有磨削精度高、表面粗糙度好、磨削过程完全自动化等特点。
专门设计用于刃磨各种形状复杂而无法用常规方法刃磨的各种各样刀具,如S形刃球头立铣刀、曲线刃平面拉刀等刀具,具有刀具的几何形状精确、尺寸精度高、表面粗糙度Ra不大于0.2μm等特点,特别适用于飞机制造业、汽车工业、模具制造业、工具制造业及国防工业等行业用来生产和刃磨各种异形复杂刀具。
在节约刀具、提高生产效率、节约能源、降低成本等方面具有显著效益,是磨削各种形状复杂刀具的重要设备。
二、机床的主要构成
如图3-7所示,MK6030型数控工具磨床主要有以下部件构成:
1.床身
床身5是机床的基础部件。
床身前部安装有工作台纵向导轨座,其上安装有滚动导轨和滚珠丝杠。
床身后部与纵向导轨垂直的方向装有砂轮架横向导轨座,座上装有横向移动滚动导轨,砂轮架实现横向移动、垂直升降及回转等运动的部件均安装在它的上面。
2.砂轮架座
砂轮架座6完成砂轮主轴所需的各种运动,包括砂轮主轴部件的横向移动、垂直升降运动、绕水平和垂直轴线的回转运动。
砂轮架座是一个可以横向移动的立柱部件,除横向移动运动外,所有其他运动部件均安装在它的立柱内部的滑座上。
测头部件也安装在砂轮主轴部件上。
3.砂轮主轴部件
砂轮主轴部件对于保证工件的加工精度至关重要。
本机床除采用高精度主轴轴承外,主轴本身及箱体孔的加工必须保证有很高的精度和同轴度。
主轴部件装配好以后进行检查,保证主轴两端端部跳动均不大于3μm。
由于砂轮直径及切削速度是变化的,因此,为了保证砂轮有良好的切削性能,主轴转速也应根据要求变化。
通常主轴速度的改变通过对主轴驱动电机采用变频调速实现。
砂轮主轴轴承是两对高精度成对双联角接触轴承,可以满足主轴运动的高速和高回转精度的要求。
主轴两端均可以安装砂轮。
.
4.纵向工作台
纵向工作台部件支承在床身滚动导轨上并由滚珠丝杠驱动作直线运动。
它的左端安装有工件主轴部件、工件绕垂直轴转动部件等。
5.操纵台
操纵台位于机床前面右手侧,可以绕垂直轴线转动。
操纵台上装有彩色CRT显示器、软膜键盘、起停按钮及手摇脉冲编码器等。
6.液压系统
液压系统位于机床的右后侧。
液压系统提供机床各回转坐标夹紧机构所需的夹紧动力,测头的伸出、退回及机床各运动部件的自动润滑。
润滑过程由计算机通过电磁阀、定量分配器进行自动控制,如图3-8所示。
7.冷却和吸雾系统
本机床使用立方氮化棚砂轮,磨削液为矿物油。
为了保持油液清洁,冷却系统中采用了磁性和纸质过滤器。
在冷却系统上装有吸雾装置。
冷却和吸雾系统位于机床左后侧。
8.机床封闭罩
为了不使磨削时产生的油雾造成环境污染,本机床采用全封闭罩并使用强制抽风。
所吸出的油雾由吸雾装置滤除。
三、机床存在的运动及机床坐标系的建立
1.存在的运动
机床存在以下运动:
1)砂轮主轴的回转运动
2)砂轮主轴部件的横向移动(X方向)
3)砂轮主轴部件的垂直升降运动(Y方向)
4)砂轮主轴部件绕水平轴线的回转运动(A轴)
5)砂轮主轴部件绕垂直轴线的回转运动(B轴)
6)工作台的纵向移动(Z方向)
7)工件主轴的回转运动(C)
8)工件主轴部件绕垂直轴线的转动(D)
2.机床坐标系的建立
上面谈到了机床的运动,相应地机床坐标系的建立如图3-9所示。
本机床共有七个数控坐标,其中包括四个回转运动和三个直线运动坐标。
回转坐标为半闭环控制,为了提高机床的刚度,A、B、D,三个坐标在回转之后进行锁紧。
锁紧机构包括刹车带、碟形弹簧、液压缸等。
锁紧由拉紧弹簧拉紧刹车带完成,当计算机对某一回转坐标发出运动命令时,先接通相应的电磁阀,由液压油缸压缩弹簧使刹车带松开,再由伺服电机带动蜗杆、蜗轮完成所指定的运动。
C,坐标所完成的是工件绕自身轴线的回转运动,因此,没有安装夹紧机构。
机床的三个直线运动坐标采用全闭环控制以提高机床的运动精度。
根据机床的使用条件,位置检测元件不采用光栅尺而采用不怕油污的磁栅尺。
磁栅尺的磁头采集的磁信号转化为电信号后再经放大、分频处理,直接输出位置脉冲,其分辨率为1μm。
四、机床的主要技术参数
1.机床规格
机床规格(工件头架上最大回转直径)φ300mm
机床外形尺寸(长×
宽×
高)2800mm×
2000mm×
2800mm
机床重量3500kg
工作台上最大加工尺寸(长×
宽)530mm×
100mm
2.砂轮架参数
砂轮架主轴转速无级变速
砂轮尺寸175mm×
20mm×
10mm(最大)
砂轮线速度20~30m/s
砂轮架垂直最大移动量(Y坐标)240mm
砂轮架垂直运动最小编程单位0.001mm
砂轮架绕垂直轴最大转动角度(B坐标) ±
90°
砂轮架绕垂直轴转动最小编程单位0.001°
主轴绕水平轴最大转动角度(A坐标)±
17.5°
主轴绕水平轴转动最小编程单位0.001°
3.工件头架参数
工件主轴最大回转角度(C,坐标)连续回转
工件主轴运动最小编程单位0.001°
工件头架绕垂直轴最大回转角度(D,坐标)90°
工件头架绕垂直轴回转最小编程单位0.001°
工作台纵向最大移动量(X坐标)580㎜
工作台纵向移动最小编程单位0.001㎜
4.手动数显坐标
工件主轴纵向最大移动量100㎜
工件主轴纵向移动最小分辨率0.001㎜
工件主轴横向最大移动量40㎜
工件主轴横向移动最小分辨率0.001㎜
5.液压系统
主油路压力2.0MPa
流量10L/min
润滑自动
6.冷却吸雾系统
型式QLGZc-25
流量25L/min
吸雾装置排风量10m3/min
五、数控系统
1.数控系统的硬件
本机床数控系统由工业控制计算机、位置伺服单元、I/O接口、伺服放大器、伺服电动机以及主轴调速单元构成。
系统构成框图如图3-10所示。
(1)工业控制计算机控制主机为PC总线工业控制计算机,CPU为80486-100,整机包括软、硬盘驱动器、14in彩色显示器等。
工控机采用全钢板密封式结构,正压风扇冷却,可以适应较恶劣的工业环境。
(2)闭环位置伺服系统位置伺服系统完成各数控坐标的闭环控制。
输入信号包括编码器的两相正交脉冲、编码器的索引脉冲、零位开关信号、正负向限位开关信号、伺服系统正常(系统OK)信号、测头信号等。
输出信号包括送给伺服放大器的使能信号、用于控制电机速度的最大为土10V直流电压信号。
控制单元在接收到编码脉冲后,将理论位置和实际位置进行比较并进行PID运算,将计算结果的数值量进行D/A转换,输出新的电压控制信号。
D/A转换的精度为12位,输出模拟电压的分辨率约为5mV。
伺服控制单元还直接处理其他输入信号。
在正常状态下,如果收到限位信号,则表明该坐标的执行机构已经越程,伺服单元将先使执行机构反向退出限位位置,然后再发出报警信息。
如果在正常情况下收到测头信号,伺服单元将立即停止该坐标的运动,并通知主电动机停止整个机床的运动。
当系统发出坐标回零命令时,如果碰到限位开关信号将继续根据情况处理,寻找零位开关信号,然后再根据索引脉冲信号运动到相应坐标的零位位置上。
当系统发出检测命令后,测头发出的信号才会由系统进行处理。
(3)I/O接口I/O接口处理下述单元的控制信号:
1)强电系统。
主机通过I/0接口并经过固态继电器发出交流220V控制电压以接通或断开各交流接触器;
2)液压系统。
除输出电磁阀控制信号外,液压系统还向I/O接口输送故障检测信号如系统无压力、过滤器堵塞、油位过低等信号;
3)主轴无级调速单元。
系统通过I/O接口的D/A电路发送模拟电压以调节主轴转速,并发出启停和方向信号以控制主轴的启动、停止和回转方向;
4)软膜键盘。
I/O接口将键盘信号处理后,再向主机输入键码;
5)手摇脉冲编码器。
手摇脉冲编码器用于手动驱动各坐标的运动。
手摇脉冲编码器每旋转一圈发出100个脉冲;
6)声音报警装置。
报警信号经过I/O单元处理并放大后,由喇叭发出声音报警。
(4)伺服单元包括伺服放大器和伺服电动机。
本机床共有七套伺服放大器和伺服电动机。
电动机的最高转速为2800r/min,额定转矩为3.8N·
m及5.3N·
m两种,相应的连续额定电流为3.3A及4.6A。
伺服电动机的测速单元发出的速度信号送给伺服放大器形成速度闭环。
2.数控系统软件
数控系统软件包括用户接口软件、编译联接软件、系统控制软件、诊断软件等。
系统软件用C语言和汇编语言混合编写。
(1)系统控制软件
1)初始化程序。
初始化程序设置系统初值、对ROM作奇偶校验等。
2)插补预处理程序。
插补预处理程序从加工程序缓冲区或用户接口管理程序中读出程序段,将G功能转换成相应坐标的运动参数,进行插补前的预计算及允许中断等工作。
3)插补软件。
本系统采用时间分割法进行插补,插补周期为2ms。
每次产生插补中断时,进行插补计算、升降速处理、终点判别及进给量转换等。
4)系统监控软件。
监控程序对系统的硬盘驱动器、软盘驱动器、软膜键盘、开关量输入、测头输入、位置伺服系统的状态输入和串、并口等进行监控处理,此外,还要对伺服系统的输出信号、开关量输出信号及系统坐标位置进行
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- 第三 数控 磨床 磨料 磨具 工件 表面 进行 切削 加工 并用 数控系统